使用QUV紫外線耐黃老化試驗(yàn)箱模擬彩色道路路面的顏色耐久性案例研究

他們模擬了暴露在高溫下的陽(yáng)光(QUV紫外線耐黃老化試驗(yàn)箱)、用于冬季維護(hù)操作的化學(xué)產(chǎn)品的侵蝕(鹽水浴)以及車輛輪胎的動(dòng)態(tài)作用(負(fù)載車輪測(cè)試儀)。用分光光度計(jì)測(cè)量的顏色變化分析突出了著色薄表面對(duì)物理和機(jī)械應(yīng)力的極端敏感性。

具體而言，由高溫下的紫外線照射誘發(fā)的粘合劑膜的熱和光氧化及其磨損，由于橡膠輪胎的動(dòng)態(tài)通過(guò)在樣品表面產(chǎn)生了大的超閾值色差。這些結(jié)果表明，正確的混合設(shè)計(jì)，包括材料選擇和配料劑量，應(yīng)根據(jù)路面最終用途和主要?dú)夂驐l件進(jìn)行適當(dāng)校準(zhǔn)，以確保整個(gè)路面的顏色一致性。

介紹

多年來(lái)，城市道路發(fā)展政策一直由以汽車為導(dǎo)向的愿景來(lái)指導(dǎo)，這不可避免地導(dǎo)致了新的和越來(lái)越大的道路的建設(shè)，其主要特征是瀝青路面的黑色。但如今，街道在造型中重新占據(jù)了中心位置以及通過(guò)執(zhí)行多種功能來(lái)重組城市空間，以促進(jìn)不同用戶的和諧共處。由于路面占據(jù)了使用者30%到50%的視野，因此正確選擇路面的材料和顏色具有戰(zhàn)略意義。在這種情況下，人們對(duì)長(zhǎng)期被忽視的材料重新產(chǎn)生了興趣，如天然石材，以及用于創(chuàng)建彩色路面的創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)，這些產(chǎn)品被賦予了除純粹功能性以外的額外任務(wù)，一方面，彩色路面的目的是提高安全性和速度控制，補(bǔ)充規(guī)定的標(biāo)線，突出優(yōu)先或?qū)Ｓ每臻g(自行車道或公交專用道、人行道或共享設(shè)施)，另一方面，裝飾裝修提高了居住環(huán)境與建筑環(huán)境的美感，加強(qiáng)了城市的身份。第二類包括通過(guò)添加顏料和/或互補(bǔ)彩色骨料將顏色引入瀝青和混凝土混合物的解決方案，或者利用石材和混凝土鋪路材料的自然或人工顏色的解決方案。

就柔性路面而言，這些表面的顏色可以通過(guò)使用透明粘合劑來(lái)強(qiáng)調(diào)，即合成、植物基或環(huán)氧樹脂產(chǎn)品，而不是傳統(tǒng)的黑色瀝青水泥。這些粘合劑的透明性用少量的顏料擴(kuò)展了調(diào)色板，同時(shí)允許集料的色調(diào)和陰影被感知。目前的趨勢(shì)是依靠鋪設(shè)在現(xiàn)有路面上的冷鋪瀝青微表處、稀漿封層或表面修整，特別是對(duì)于交通不太繁忙的區(qū)域，利用專門定制的透明瀝青乳液的潛力進(jìn)行優(yōu)化在薄層中使用高質(zhì)量和昂貴的產(chǎn)品。當(dāng)使用具有特殊光學(xué)和視覺(jué)特性的顏料時(shí)，如光致發(fā)光/磷光或熱致變色產(chǎn)品，這種解決方案就變得必不可少。由于彩色路面的有效性和美觀性取決于施工后其色度和視覺(jué)特征的保持情況，因此預(yù)計(jì)會(huì)根據(jù)材料進(jìn)行不同程度的普通和特殊維護(hù)。彩色表面會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，在顏色和性能方面都比傳統(tǒng)表面發(fā)展得更快。經(jīng)驗(yàn)表明，這種路面的外觀會(huì)發(fā)生變化，即褪色，安裝幾個(gè)月后變色或變暗。主要的顏色變化是由交通引起的，這是由于輪胎與路面以雙重方式相互作用:輪胎痕跡和粘合劑磨損。在第一種情況下，車輛在加速-制動(dòng)階段會(huì)在路面上留下黑色的輪胎痕跡，其形式為打滑痕跡(加速擦傷、減速痕跡和偏航痕跡)。第二，輪胎的動(dòng)態(tài)通過(guò)導(dǎo)致粘合劑磨損表面，露出集料，集料的顏色將成為路面的主要顏色。除了這些機(jī)械應(yīng)力之外，持續(xù)暴露于大氣因素、陽(yáng)光(紫外線輻射)和化學(xué)產(chǎn)品(防冰鹽或除冰劑、污染和燃料)同樣會(huì)導(dǎo)致路面顏色變化。

計(jì)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的調(diào)查，以評(píng)估加速老化測(cè)試后有色路面的顏色變化。具體而言，模擬了暴露于陽(yáng)光和高溫、冬季養(yǎng)護(hù)中使用的鹽(氯化鈉)的侵蝕以及動(dòng)態(tài)交通行為。在薄稀漿封層樣品上進(jìn)行測(cè)試，所述薄稀漿封層樣品用透明的合成乳液和添加的礦物顏料產(chǎn)生紅色、綠色和藍(lán)色。在每個(gè)程序之后，從顏色分析計(jì)算顏色變化 用分光光度計(jì)測(cè)量的坐標(biāo)。這些數(shù)值作為不同作用對(duì)顏色耐久性影響的關(guān)鍵分析的起點(diǎn)。

材料

色度分析是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的有色稀漿封層樣品上進(jìn)行的。它們是由乳化瀝青、水、級(jí)配良好的細(xì)骨料和礦物填料制成的冷自由流動(dòng)復(fù)合材料。中性(N)稀漿封層使用合成的透明陽(yáng)離子緩凝乳液(粘合劑含量為60%)、淺灰色碎石灰石骨料和石灰石粉塵制備。根據(jù)II型分級(jí)曲線(表1)混合混合物。1)由國(guó)際泥漿表面協(xié)會(huì)(ISSA)建議，考慮干骨料重量的8%的殘余粘合劑含量和20%的總含水量(預(yù)濕水加乳化水),以調(diào)整混合料的稠度和和易性。取而代之的是向中性混合物中加入干骨料重量的2%的水不溶性無(wú)機(jī)顏料來(lái)制備有色混合物。具體而言，赤鐵礦(Fe₂O₃)、氧化鉻(Cr₂O₃)以及天青石- C (Na₇Al₆Si₆O₂₄S₃)和方解石(CaCO₃)的混合物分別用于產(chǎn)生紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)稀漿封層。一旦混合組分已經(jīng)按照典型的鋪路順序均勻混合，即骨料、填料、顏料、水和乳液，將所得漿料材料傾倒并均勻鋪展在鋼模的可移動(dòng)板上，以形成矩形樣品(長(zhǎng)×寬×厚:400×75×3mm)。然后將樣品儲(chǔ)存在平坦表面上，并在25℃下干燥72小時(shí)，遠(yuǎn)離直射光。

方法

對(duì)著色稀漿封層的色度特征及其由路面環(huán)境中典型的物理-化學(xué)和機(jī)械應(yīng)力誘發(fā)的潛在顏色變化的分析，涉及加速老化程序前后的樣品顏色評(píng)估。用便攜式CM-2500c分光光度計(jì)(Konica Minolta)測(cè)量顏色，考慮標(biāo)準(zhǔn)光源D65和CIE 1964/10輔助觀察者(10°視野)。本儀器配有45°a:0°(四十五度環(huán)形照明/垂直觀察)幾何光學(xué)，其與物體的視覺(jué)感知密切相關(guān)。使用對(duì)立類型和均勻CIELCH極坐標(biāo)來(lái)表示顏色，其中L*定義明度(0 =絕對(duì)黑色，100 =絕對(duì)白色)，Cab *指定色度(0 =完全不飽和，100或更大=高“飽和度”)，hab表示色調(diào)角，以度表示(范圍從0到360，遵循從紅色到黃色、綠色和藍(lán)色的彩虹標(biāo)度)。使用數(shù)值將顏色變化計(jì)算為三維距離。

由于稀漿封層具有固有的表面紋理可變性，顏色會(huì)因測(cè)量位置的不同而略有不同。因此，在沿矩形樣品水平對(duì)稱軸的五個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行了多次測(cè)量(五次測(cè)量的自動(dòng)平均值),并考慮了平均值。

3.1.加速老化程序

設(shè)置了三種不同的加速老化測(cè)試，以模擬高溫下的日光暴露、冬季維護(hù)操作中用于防冰程序的化學(xué)產(chǎn)品(鹽)的侵蝕以及車輛輪胎的作用。QUV/se紫外線耐黃老化試驗(yàn)箱用于再現(xiàn)自然光的效果。 將樣品在50℃下暴露于UVA-340型熒光燈發(fā)射的36小時(shí)紫外線輻射循環(huán)中(在340納米處的輻照度為0.68W/m²)，其光譜功率分布(SPD)與從365納米至295納米的太陽(yáng)截止波長(zhǎng)的臨界短波長(zhǎng)區(qū)域中的太陽(yáng)光的光譜功率分布相匹配。先前的研究表明，這一時(shí)間間隔對(duì)于評(píng)估光降解對(duì)這些材料的影響已經(jīng)非常重要。

通過(guò)將樣品浸泡在25°C的2.2%氯化鈉(NaCl)鹽水中30天，評(píng)估冬季維護(hù)操作，更具體地說(shuō)是化學(xué)防冰劑和除冰劑對(duì)著色稀漿封層顏色維護(hù)的影響。然后將每個(gè)樣品從浴中取出，在流水下清洗，表面干燥，并在測(cè)試前在25℃下儲(chǔ)存24小時(shí)。

采用有載車輪測(cè)試儀(LWT)來(lái)評(píng)估交通對(duì)有色路面造成的磨損，并評(píng)估車輛通過(guò)對(duì)其顏色穩(wěn)定性的影響(圖1)。這種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備屬于更廣泛的車輪跟蹤設(shè)備類別，通常用于進(jìn)行模擬試驗(yàn)，測(cè)量冷瀝青混合料的性能，然后通過(guò)在準(zhǔn)備好的樣品上反復(fù)滾動(dòng)一個(gè)小的負(fù)載往復(fù)輪，將這些性能與實(shí)際使用中的路面性能相關(guān)聯(lián)。車輪(直徑×寬度:100×40mm)由中等硬度的黑色橡膠輪胎(70肖氏硬度A)組成，該輪胎被夾在兩個(gè)帶有螺母和螺栓的沖壓鋼輪之間。使用兩種不同的負(fù)載:46.4和20千克，輪胎在矩形稀漿封層樣品上行駛10000個(gè)周期。第一種荷載條件可以追溯到佐治亞州LWT的標(biāo)準(zhǔn)化荷載條件，即設(shè)計(jì)用于車轍試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制的裝置，而第二種荷載條件則用于再現(xiàn)不太惡劣的交通條件。在預(yù)選的循環(huán)次數(shù)(500、1000、2000、5000、10000)后，機(jī)器停止，取出樣品進(jìn)行顏色測(cè)量。在QUV/se紫外線耐黃老化試驗(yàn)箱中測(cè)試了參考樣品和先前暴露于紫外線輻射的樣品。CIELCH極坐標(biāo)在沿著車輪行進(jìn)路徑的中心軸的五個(gè)點(diǎn)上測(cè)量。

圖1 道路負(fù)重輪測(cè)試儀

結(jié)果

在每個(gè)加速老化/磨損程序之前和結(jié)束時(shí)測(cè)量的CIELCH極坐標(biāo)總結(jié)在表2中。具體而言，將參考混合物的顏色與放置在紫外線耐黃老化試驗(yàn)箱(QUV)中、浸泡在鹽水中并在10000次LWT加載循環(huán)結(jié)束時(shí)的樣品的顏色進(jìn)行比較。由于中高溫和暴露于紫外輻射的組合效應(yīng)，漿料材料顯示出顏色變化，這歸因于粘合劑薄膜的熱和光氧化。這種變化對(duì)于中性(δEab，10 * = 12.00)和藍(lán)色樣品(δEab，10 * = 11.89)更為顯著。綠色混合物也出現(xiàn)明顯的顏色差異(δEab，10 * = 5.52)，而紅色混合物看起來(lái)沒(méi)有變化(δEab，10 * = 0.80)(圖2)。極坐標(biāo)的詳細(xì)分析突出了明度(L10*)和色調(diào)(hab，10)如何對(duì)老化過(guò)程非常敏感。樣品的顏色趨向于變得更暗(L10*減少)和稍微不太飽和(Cab，10*減少)，除了N稀漿封層，其中后者的量有所增加。作為顏色的函數(shù)，色調(diào)的變化轉(zhuǎn)化為不同的視覺(jué)感受:N變得更紅，G向黃軸移動(dòng)(hab，10 = 90 °), B向靠近綠軸的II象限移動(dòng)(hab，10 = 180°)。雖然其他研究人員已經(jīng)確定了這種消光效應(yīng)，但使用不同粘合劑和邊界條件(不同燈和溫度)進(jìn)行的一些類似研究強(qiáng)調(diào)了不同的降解機(jī)制，這產(chǎn)生了褪色。

相反，氯化鈉鹽水不影響混合物的顏色。在濃度為2.2%的NaCl中浸泡30天沒(méi)有在任何坐標(biāo)中產(chǎn)生顯著變化，除了亮度非常小的降低，用肉眼幾乎看不見，可以用大約1.5個(gè)單位量化(圖2)。

圖2 人工老化試驗(yàn)前后有色稀漿封層的顏色(矩形內(nèi)的數(shù)值指Eab，10）

就LWT引起的外觀變化而言，在46.4 kg的載荷下進(jìn)行的測(cè)試在100次通過(guò)后已經(jīng)在樣品上產(chǎn)生了明顯的車轍和黑色輪胎痕跡，特別是在輪胎胎肩的相應(yīng)位置。這一行為似乎與其他研究的結(jié)果相一致，然而，這些研究旨在根據(jù)機(jī)械性能優(yōu)化彩色微表處的混合設(shè)計(jì)或評(píng)估可噴涂的保護(hù)性樹脂涂層的潛力。因此，實(shí)際的色度分析是使用20千克的減少載荷進(jìn)行的。這種路面被認(rèn)為更適合這種路面的荷載條件，這種路面主要用于共享的城市空間或?qū)ｉT為弱勢(shì)用戶預(yù)留的道路。在不同的加載步驟中對(duì)樣品進(jìn)行第一次目視檢查，可以突出車輪的重復(fù)動(dòng)作是如何沿著其行進(jìn)路徑逐漸產(chǎn)生涂在集料上的彩色膠泥薄膜的去除，從而顯示出它們的基色(圖3)。在選擇了淺灰色石灰石骨料后，2000次循環(huán)后，樣品的顏色明顯變淺(L10*增加)和不太飽和(Cab減少，10*)。在10000次循環(huán)后記錄了顯著的顏色變化:Eab, 10 * < 5，該值在任何情況下都描述了相當(dāng)大的超閾值色差，僅對(duì)于綠色混合物進(jìn)行了測(cè)量(圖4a)。由于交通導(dǎo)致的結(jié)合料磨損是一個(gè)眾所周知且可預(yù)測(cè)的過(guò)程，因此通常使用互補(bǔ)色集料在路面使用壽命期間達(dá)到并保持設(shè)計(jì)的顏色。目前市場(chǎng)上有多種天然彩色骨料和彩色涂層骨料。礦物顏料和有色骨料的最令人滿意的混合物通常通過(guò)將氧化鐵與紅棕色骨料(如斑巖、紅土或煅燒鋁土礦)結(jié)合來(lái)獲得。透明結(jié)合料和白色骨料以及可能的二氧化鈦(TiO2)的組合產(chǎn)生的路面具有更好的光度特性和更低的導(dǎo)熱性，從而降低街道照明能耗和成本，提高駕駛能見度和安全性，并減少城市熱島現(xiàn)象。

圖3 LWT不同循環(huán)階段的顏色發(fā)展

在加速老化試驗(yàn)器中預(yù)先老化的樣品上也發(fā)現(xiàn)了相同的趨勢(shì)，但是褪色/發(fā)白發(fā)生的程度較小(3.32 <δEab，10 * < 4.52)。這種現(xiàn)象可能是由于合成乳液在紫外線輻射和溫度的共同作用下的聚合過(guò)程，這使得漿料表面不易于輪胎拋光(圖4b)。

圖4 總顏色變化對(duì)LWT通過(guò)次數(shù)未老化(a)和先前QUV老化的樣品(b)

結(jié)論

在完整街道的新愿景中，近年來(lái)通過(guò)政策和戰(zhàn)略計(jì)劃促進(jìn)了彩色路面的使用，以提高道路使用者的安全性，并增強(qiáng)城市環(huán)境的重組和美觀。但是，在道路布局中使用彩色路面應(yīng)在安全或操作效益方面得到證明。這些路面的安裝和維護(hù)成本很高，因?yàn)樗鼈兪褂冒嘿F的材料和特殊設(shè)備，并且極易受到交通和環(huán)境因素的影響而發(fā)生外觀變化，尤其是在交通繁忙的地區(qū)和陽(yáng)光強(qiáng)烈或冰雪覆蓋的氣候條件下。 對(duì)經(jīng)過(guò)人工加速老化的著色稀漿封層樣品進(jìn)行的顏色耐久性和穩(wěn)定性分析突出了它們對(duì)物理和機(jī)械作用的極端敏感性。中高溫和暴露于紫外線輻射的綜合效應(yīng)對(duì)中性和著色漿料材料產(chǎn)生了較大的超閾值色差，但紅色混合物幾乎保持不變。具體地說(shuō)，粘合劑薄膜的熱和光氧化轉(zhuǎn)化為較暗(亮度降低)和較不飽和(色度降低)的表面顏色。相反，氯化鈉鹽不會(huì)影響混合物的顏色。使用負(fù)載車輪測(cè)試儀模擬的交通行為在2000次循環(huán)后已經(jīng)突出了顯著的顏色惡化。隨著輪胎的通過(guò)，覆蓋集料的膠粘薄膜逐漸從表面磨損，路面顏色變淺且不太飽和，呈現(xiàn)出接近石灰石集料淺灰色的色度。互補(bǔ)色集料應(yīng)被用于實(shí)現(xiàn)顏色的持久性，尤其是在交通繁忙的道路和街道上。因此，正確的混合設(shè)計(jì)，包括材料選擇和配料劑量，應(yīng)根據(jù)路面最終用途和主要?dú)夂驐l件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以確保路面使用壽命期間的顏色一致性。